En un avance significativo para la medicina regenerativa, investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva terapia inyectable que utiliza “moléculas danzantes” para reparar el cartílago dañado en células humanas.
En noviembre de 2021, el equipo de investigación de Northwestern presentó una terapia que empleaba moléculas de rápido movimiento para reparar tejidos y revertir la parálisis tras lesiones graves de la médula espinal. Ahora, la misma estrategia terapéutica se ha aplicado con éxito a células de cartílago humano.
En un estudio reciente, el tratamiento activó la expresión génica necesaria para regenerar cartílago en tan solo cuatro horas. Después de tres días, las células humanas produjeron los componentes proteicos necesarios para la regeneración del cartílago. Los investigadores también encontraron que, a medida que aumentaba el movimiento molecular, la efectividad del tratamiento también mejoraba, indicando que las “moléculas danzantes” son cruciales para desencadenar el crecimiento del cartílago.
El estudio fue publicado el 26 de julio en la revista Journal of the American Chemical Society.
“Cuando observamos por primera vez los efectos terapéuticos de las moléculas danzantes, no vimos ninguna razón por la cual solo deberían aplicarse a la médula espinal”, dijo Samuel I. Stupp, quien lideró el estudio. “Ahora, observamos los efectos en dos tipos de células completamente desconectadas entre sí: células de cartílago en nuestras articulaciones y neuronas en nuestro cerebro y médula espinal. Esto me hace confiar más en que podríamos haber descubierto un fenómeno universal aplicable a muchos otros tejidos”.
Un Problema de Gran Magnitud con Pocas Soluciones
Según la Organización Mundial de la Salud, en 2019 casi 530 millones de personas en todo el mundo vivían con osteoartritis, una enfermedad degenerativa en la que los tejidos de las articulaciones se desgastan con el tiempo. Esta condición es una de las principales causas de discapacidad y un problema de salud común.
En pacientes con osteoartritis severa, el cartílago puede desgastarse tanto que las articulaciones se transforman esencialmente en hueso contra hueso, sin un cojín entre ellos. Esto no solo es increíblemente doloroso, sino que también impide el correcto funcionamiento de las articulaciones, dejando como única opción efectiva la cirugía de reemplazo articular, la cual es costosa e invasiva.
“Los tratamientos actuales buscan ralentizar la progresión de la enfermedad o posponer el inevitable reemplazo de la articulación”, explicó Stupp. “No existen opciones regenerativas porque los humanos no tienen una capacidad inherente para regenerar cartílago en la edad adulta”.
¿Qué son las “Moléculas Danzantes”?
El equipo de Stupp teorizó que las “moléculas danzantes” podrían incentivar la regeneración del tejido resistente. Inventadas previamente en el laboratorio de Stupp, estas moléculas son ensamblajes que forman nanofibras sintéticas compuestas por decenas de miles de moléculas con señales potentes para las células. Al ajustar sus movimientos colectivos mediante su estructura química, Stupp descubrió que las moléculas en movimiento podían encontrar y conectarse adecuadamente con los receptores celulares, que también están en constante movimiento y muy concentrados en las membranas celulares.
Una vez dentro del cuerpo, las nanofibras imitan la matriz extracelular del tejido circundante. Al igualar la estructura de la matriz, imitar el movimiento de las moléculas biológicas e incorporar señales bioactivas para los receptores, los materiales sintéticos pueden comunicarse con las células.
“Los receptores celulares están en constante movimiento”, dijo Stupp. “Al hacer que nuestras moléculas se muevan, ‘dancen’ o incluso salten temporalmente de estas estructuras, conocidas como polímeros supramoleculares, pueden conectarse más eficazmente con los receptores”.
La Importancia del Movimiento
En el nuevo estudio, el equipo de Stupp se enfocó en los receptores de una proteína crítica para la formación y el mantenimiento del cartílago. Para dirigirse a este receptor, desarrollaron un nuevo péptido circular que imita la señal bioactiva de la proteína, llamada factor de crecimiento transformante beta-1 (TGFb-1).
Los investigadores incorporaron este péptido en dos moléculas diferentes que interactúan para formar polímeros supramoleculares en agua, cada uno con la misma capacidad para imitar el TGFb-1. Diseñaron uno de estos polímeros con una estructura especial que permitía a sus moléculas moverse más libremente dentro de los grandes ensamblajes, mientras que el otro polímero restringía el movimiento molecular.
“Queríamos modificar la estructura para comparar dos sistemas que difieren en la medida de su movimiento”, dijo Stupp. “La intensidad del movimiento supramolecular en uno es mucho mayor que en el otro”.
Aunque ambos polímeros imitaban la señal para activar el receptor TGFb-1, el polímero con moléculas de movimiento rápido fue mucho más efectivo. En algunos aspectos, fueron incluso más efectivos que la proteína natural que activa el receptor TGFb-1 en sistemas biológicos.
“Después de tres días, las células humanas expuestas a los largos ensamblajes de moléculas más móviles produjeron mayores cantidades de los componentes proteicos necesarios para la regeneración del cartílago”, afirmó Stupp. “Para la producción de uno de los componentes de la matriz del cartílago, conocido como colágeno II, las moléculas danzantes que contenían el péptido cíclico que activa el receptor TGF-beta1 fueron incluso más efectivas que la proteína natural que cumple esta función en los sistemas biológicos”.
¿Qué Sigue?
El equipo de Stupp está actualmente probando estos sistemas en estudios con animales y añadiendo señales adicionales para crear terapias altamente bioactivas.
“Con el éxito del estudio en células de cartílago humano, predicimos que la regeneración del cartílago se verá significativamente mejorada cuando se utilice en modelos preclínicos altamente translacionales”, dijo Stupp. “Debería desarrollarse en un nuevo material bioactivo para la regeneración del tejido cartilaginoso en las articulaciones”.
El laboratorio de Stupp también está probando la capacidad de las moléculas danzantes para regenerar hueso, y ya tiene resultados prometedores que probablemente se publiquen a finales de este año. Simultáneamente, están probando las moléculas en organoides humanos para acelerar el proceso de descubrimiento y optimización de materiales terapéuticos.
El equipo también continúa construyendo su caso ante la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) con el objetivo de obtener la aprobación para ensayos clínicos que prueben la terapia para la reparación de la médula espinal.
“Estamos comenzando a ver la tremenda amplitud de condiciones a las que podría aplicarse este descubrimiento fundamental sobre las ‘moléculas danzantes’”, concluyó Stupp. “Controlar el movimiento supramolecular a través del diseño químico parece ser una herramienta poderosa para aumentar la eficacia de una gama de terapias regenerativas”.
El estudio, titulado “Supramolecular motion enables chondrogenic bioactivity of a cyclic peptide mimetic of transforming growth factor-β1”, fue apoyado por una donación de Mike y Mary Sue Shannon a la Universidad Northwestern para la investigación en regeneración musculoesquelética en el Centro de Nanomedicina Regenerativa del Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología.
fuente: Northwestern Now y Mentes Curiosas
